玉米是世界范围内广泛种植的粮食作物之一，不仅可供人类食用，还能够作为动物饲料，同时在工业生产和医疗卫生方面也发挥着重要作用[1]。科学地进行水肥调控不但可以提高玉米产量而且可以提高经济效益[2]。水肥空间耦合是水肥耦合的重要方式，水肥耦合技术就是按照在不同的水分差异下，正当设定施肥品种和施肥的数量，从而加强作物对水分和养分的高效运用，达到作物高产高效的结果[3-6]。传统的耕作方式能够导致耕层浅薄，犁底层逐渐的加厚，从而使土壤的通透性以及蓄水保墒的能力降低，不利于玉米对水分以及养分的吸收，产量会出现下降的情况。深翻可以改善土壤的理化性状，提高自然降水利用率，打破土壤的犁底层，使土壤耕作层变厚，而且可以降低土壤容重，改善其理化性状，为玉米的生长发育创造了良好的土壤水分环境，从而促进玉米的生长发育以及产量的提高[7]。研究发现，长期施用有机肥肥料可以显著提高土壤性质、肥力和作物产量，有机肥中含有作物生长所需的营养元素物质，为作物提供生长所需的营养物质、微生物群落以及降解产物等植物生长过程中所需的活性物质，能够促进作物的生长并增强抗逆性[8-12]。
干旱化对我国主要粮食和最重要的饲料作物玉米产生严重的影响，如何提高水分利用效率，将有限的水资源合理化利用，增进玉米对干旱化响应与适应的理解及制定应对策略，是当前迫切需要解决的问题。利用大型活动遮雨棚及池栽对玉米进行全程水分控制实验研究[13-14]，通过合理水肥配比，研究不同耕作深度对玉米生长状况的影响。
本试验是在青岛农业大学莱阳校区进行，试验地的土壤类型为棕壤，位于东经120.7°，北纬36.9°，属暖温带半湿润季风气候，一月平均气温-4.2 ℃，年均气温 11.2 ℃，无霜期209～243 d，年降雨量为779.1 mm，雨热同期。试验共设16个处理(表1)，3次重复，随机排列。小区面积1 m2(1 m×1 m)，深1.5 m，四周用水泥层隔离，田间管理相同。土壤的有机质含量为14.03 g/kg，全氮含量为0.92 g/kg，碱解氮含量为14.10 mg/kg，速效钾含量为89.71 mg/kg，速效磷含量为60.71 mg/kg，pH值6.8。试验设计见表1。
2.1.1 水肥耦合对玉米氮素积累分配的影响 不同耕作深度条件下调控水肥对玉米成熟期氮素积累分配的情况见图1，在玉米植株中，氮素在籽粒中的含量最高，各器官氮素的积累量大小顺序为籽粒>叶>茎秆>根。茎秆、根中氮素含量最高的是处理T7，籽粒、叶中的氮素积累量最大的是处理T14。
由T3、T7、T10、T14(A1M2水平)看出，在同一耕作深度和有机肥水平情况下，随着含水量的增加，玉米对氮素的吸收也增加，W0、W1、W2、W3水平下籽粒中氮素的含量占整个玉米植株氮素含量的百分比分别是49.57%，49.29%，45.21%，43.82%，由此可得，籽粒是夏玉米成熟期植株所积累氮素的分配中心，同时，随着土壤含水量的增加，植株同化氮素向籽粒中转移的百分比降低，说明适度的水分胁迫有助于氮素向籽粒的分配，而水分过多或过少，会导致氮素向营养器官的转移，降低了氮的利用率，从而导致氮素的浪费。
由T3、T11(M2W1水平)，可以看出，在相同含水量和相同施肥情况下，随着耕作深度的增加，玉米对氮素的吸收也增加，说明，耕作深度与氮素利用率呈正相关，A1、A2水平下籽粒中氮素的含量占整个玉米植株49.29%和47.96%，由此可得，随着耕作深度的增加，植株同化氮素向籽粒中转移的百分比增加。
表1 试验处理
Tab.1 Experimental design
处理号Treatment number处理Treatment 编码值 Coded valueAMH2O/%A/cmM/(kg/hm2)H2O/%T1A1M1W0110303 75040T2A2M2W0220207 50040T3A1M2W1121307 50050T4A2M1W1211203 75050T5A1M1W2112303 75060T6A2M2W2222207 50060T7A1M2W3123307 50070T8A2M1W3213203 75070T9A2M1W0210203 75040T10A1M2W0120307 50040T11A2M2W1221207 50050T12A1M1W1111303 75050T13A2M1W2212203 75060T14A1M2W2122307 50060T15A2M2W3223207 50070T16A1M1W3113303 75070
注： A1.耕作深度：30 cm；A2.耕作深度：20 cm；M1.有机肥3 750 kg/hm2；M2.有机肥7 500 kg/hm2；W0.相对含水量40%；W1.相对含水量50%；W2.相对含水量60%；W3.相对含水量70%。
Note：A1.Tillage depth：30 cm； A2.Tillage depth：20 cm； M1.Organic fertilizer 3 750 kg/ha； M2.Organic fertilizer 7 500 kg/ha； W0.Relative water content 40%； W1.RWC 50%； W2.RWC 60%； W3.RWC 70%.
不同字母表示在0.05 水平上差异显著(P<0.05)。图2-3同。
Different letters indicate significant differences atP<0.05.The same as Fig.2-3.
图1 氮素在各器官中的分配
Fig.1 N content in each part of maize
由T5、T14(A1W2水平)可以看出，耕作深度和灌水量在同一水平下，在一定范围内，随着有机肥施用量的增加，植株积累的氮素含量也在增加，玉米植株向籽粒转移的氮素百分比也在增加，这是由于玉米产量的高低与植株干物质积累量有关，产量绝对值的增加与植株氮素往籽粒转移的百分比、植株干物质积累量呈正相关。
2.1.2 水肥耦合对玉米磷素积累分配的影响 磷元素是植株生长和发育不可缺少的三大营养元素之一，磷是植物细胞核和原生质的组成成分，是作物体内一系列新陈代谢过程的“参与者”[15]。不同耕作深度调控水肥对玉米成熟期磷素的积累和分配见图2，各处理间玉米植株总磷的积累量存在较大的差异，不同含量有机肥配施条件下，玉米植株对磷的吸收累积状况表现出较大的差异；在有机肥含量和灌水量较低的水平下，玉米植株对磷素的吸收累积量偏低。籽粒对磷素的吸收积累量占植株总含磷量最大，占植株含磷量的63.58%～79.67%，磷素在各器官内的积累量高低依次是：籽粒>叶>茎秆>根。籽粒中磷吸收积累量最高是处理T14，较积累量最低的T9，高出74.59%。不同耕作深度下调控水肥对玉米成熟期磷素的吸收积累有较大的影响。
图2 磷素在各器官中的分配
Fig.2 P content in each part of maize
由T3、T7、T10、T14(A1M2水平)，可以看出，在相同耕作深度和相同施肥情况下，随着含水量的增加，玉米秸秆的磷素吸收在一定范围内也增加，说明含水量与磷素的吸收积累量呈正相关，灌水量过多或过少都会对玉米吸收积累磷素造成影响。在含水量W0到W3水平下，籽粒中磷素占整株植株磷素含量百分比分别是43.61%，36.69%，43.31%，40.88%，由此可得，当灌水量在一定范围内，玉米植株往籽粒转移分配磷素的百分比随着灌水量的增加而增加，然而过多或过少的灌水量均不利于玉米植株磷素的利用率。
由T6、T14(M2W2水平)可以看出，在相同含水量和相同施肥情况下，随着耕作深度的增加，玉米对根、茎、籽粒的磷素吸收增加，说明耕作深度深，下层土壤相对疏松，根系容易向下发展，更有利于玉米植株吸收下层养分，耕作深度与磷素利用率呈正相关，A1、A2水平下籽粒中磷素的含量占整个玉米植株40.88%和43.64%，由此可得，随着耕作深度的增加，玉米植株同化磷素向籽粒中转移的百分比增加。
T5、T14(A1W2水平)处理中，耕作深度和灌水量在同一水平下，在一定范围内，随着有机肥施用量的增加，植株积累的磷素含量也在增加，玉米植株向籽粒的转移的磷素百分比也在增加，说明，有机肥在一定水平下能更大限度地促进磷向籽粒转移，同时玉米产量的高低与植株干物质积累量有关，产量绝对值的增加与植株磷素往籽粒转移的百分比、植株干物质积累量呈正相关。
由T10、T11、T12可得，施用有机肥对玉米植株体内总钾积累量的影响最大，其次是耕作深度和灌水量。同时，施用有机肥是影响玉米植株向籽粒分配含钾量所占百分比最大的因素。
2.1.3 水肥耦合对玉米钾素积累分配的影响 钾在玉米植株体内以钾离子的形态存在，是植物生长所必需的一种元素，植物通过根系从土壤中选择性地吸收土壤中的水溶态钾离子[16-20]。钾元素比较集中地分布在植物代谢最活跃的器官和组织中，是多种酶的辅助因子或激活剂[21]。钾对光合作用有好处，大大加强了对二氧化碳的同化率[22]。除此之外，钾能加快叶绿素的合成进程，优化叶绿体的结构。不同耕作深度下调控水肥对玉米成熟期钾素的积累与分配见图3。不用处理之间玉米对钾素的吸收与利用有较大差异，在玉米植株中，钾素在茎秆中的含量是最高的，其次是籽粒；各器官钾素的积累量大小顺序为茎秆>籽粒>叶>根。玉米籽粒的钾素含量最高的是T7，最低的处理T4，T7较T4含量高66.68%。
图3 钾素在各器官中的分配
Fig.3 K content in each part of maize
由T3、T7、T10、T14(A1M2水平)可以看出，在相同耕作深度和相同施肥情况下，随着含水量的增加，玉米对钾素的吸收在一定范围内也增加，说明含水量与钾素的吸收积累量呈正相关。在含水量W0到W3水平下，籽粒中钾素占整株植株钾素含量百分比分别是26.05%，29.27%，28.65%，27.79%，由此可得，当灌水量在一定范围内，玉米植株往籽粒转移分配钾素的百分比随着灌水量的增加而增加，过多或过少的灌水量均不利于玉米植株钾素的利用率。
在T3、T11(M2W1水平)处理中，在相同含水量和相同施肥情况下，随着耕作深度的增加，玉米对钾素的吸收也增加，说明耕作深度深，下层土壤相对疏松，根系容易向下发展，更有利于玉米植株吸收下层养分，因此，耕作深度与钾素吸收利用率呈正相关，A1、A2水平下籽粒中钾素的含量占整个玉米植株29.27%和26.38%，由此可得，随着耕作深度的增加，玉米植株同化钾素向籽粒中转移的百分比增加。
T5、T14(A1W2水平)处理，耕作深度和灌水量在同一水平下，在一定范围内，随着有机肥施用量的增加，植株积累的钾素含量也在增加，玉米植株向籽粒转移的磷素百分比也在增加，W1、W2水平下籽粒中钾素的含量占整个玉米植株28.19%和28.65%，说明在一定范围内施用有机肥可以增加单株玉米植株总钾含量向籽粒转移的比例。
由T3、T7、T14、T15可得，施用有机肥对玉米植株体内总磷积累量的影响最大，其次是耕作深度和灌水量。同时，施用有机肥是影响玉米植株向籽粒分配含磷量所占百分比最大的因素。
从表2中可以得到，在各项产量及产量构成要素中，T7处理的各指标都是最高的，T9处理的产量最低。T7在穗长、行粒数、千粒质量各项指标中分别比T9高55.04%，44.00%，25.88%。产量最高的是处理T7，产量为9 950 kg/hm2，较A1M1W0的产量增加了46.32%。其次是T15处理，产量是9 660 kg/hm2，产量最低的处理是T9，产量为6 460 kg/hm2，T7 与T9相比产量提高了54.02%，T15 与T9相比产量提高49.54%。在同一处理水平下，7 500 kg/hm2的有机肥施用量和70%的相对含水量对玉米的产量影响最显著。同样是在高有机肥70%相对含水量水平下30 cm耕作深度条件下处理影响比20 cm耕作深度条件下处理产量提高了2.91%,且处理间差异显著。
T3、T7、T10、T14处理(A1M2水平)中，T7产量最大，较T10处理增加了40.93%，这说明在耕作30 cm施用M2水平有机肥时，随着水分的增加玉米的穗长、行粒数、千粒质量、产量也随之增加且差异性显著。从T1、T5、T12、T16(A1M1水平)中可以看出，产量随水分的增加而增加，W3水平相比W0产量增加了37.47%。
表2 不同耕作条件下水肥耦合对玉米产量及构成因素的影响
Tab.2 Effects of water and fertilizer coupling on maize yield under different tillage conditions
处理Treatments产量及构成因素Yield and composing factor of maize穗长Spike length行粒数Line grains千粒质量1000-seed weight产量/(kg/hm2)YieldT1A1M1W012.26±0.31fgh30±0.81c246±6.19h6 800±104l T2A2M2W012.11±0.30gh32±0.76b266±5.69f7 740±118jT3A1M2W113.04±0.33cde30±0.76c279±4.52e8 120±118iT4A2M1W112.70±0.29def35±0.88a294±7.21c8 260±126hi T5A1M1W211.88±0.32hi29±0.73cd264±6.64f8 670±112f T6A2M2W212.58±0.31efg35±0.82a253±6.37g8 927±136de T7A1M2W314.76±0.32a36±0.91a321±7.08a9 950±151a T8A2M1W310.94±0.28j24±0.73e282±6.12de8 724±133ef T9A2M1W09.52±0.25k25±0.63e255±5.42g6 460±111m T10A1M2W011.42±0.27ij29±0.76cd265±3.67f7 060±107k T11A2M2W113.40±0.23bc32±0.81b252±4.34gh8 630±131f T12A1M1W113.12±0.33cd35±0.88a251±6.43gh8 350±127ghT13A2M1W212.16±0.31gh30±0.76c254±3.83g8 527±132fg T14A1M2W213.82±0.34b32±0.80b293±4.87c9 012±145d T15A2M2W313.78±0.35b32±0.82b312±6.21b9 660±142b T16A1M1W312.16±0.36gh28±0.73d288±7.31cd9 348±137c
注：同列不同字母表示在0.05 水平上差异显著(P<0.05)。
Note: Different letters indicate significant differences atP<0.05.
在T2、T6、T11、T15处理(A2M2水平)中，T15的穗长、千粒质量最大，T15相比T2分别提高了13.88%，17.29%。随着灌水量的增加，产量呈增加的趋势，W3、W2、W1相比W0水平分别提高了24.81%，15.34%，11.50%，在耕作深度20 cm条件下施用高含量有机肥调控水分对于玉米的产量影响差异性显著。在T4、T8、T9、T13处理(A2M1水平)中，W3、W2、W1相比W0水平分别提高了35.05%，32.00%，27.86%。与W0水平相比，W3的穗长、千粒质量分别提高了14.92%，10.59%。
处理T6、T14(M2W2水平)中，T14处理的穗长、千粒质量、产量较T6高9.86%，15.81%，0.95%。M1W2水平下，处理T5较T13的千粒质量、产量高3.94%，1.68%，M2W3水平，处理T7较T15穗长、行粒数、千粒质量、产量分别提高了7.11%，12.50%，2.88%，3.00%。M1W3水平下，A1较A2的穗长、行粒数、千粒质量、产量分别提高了11.15%，16.67%，2.13%，7.15%。不同水分配比下，耕作深度30 cm(A1)的产量构成因素均比耕作深度20 cm(A2)高，深耕能疏松土壤的下层增加透气性、改善土壤结构，从而提高了土壤中的有效养分，提高作物产量。
通过研究不同耕作深度条件下调控水肥配比对玉米的体内氮、磷、钾的分配，在耕作深度30 cm、相对含水量70%、施用有机肥7 500 kg/hm2时，玉米对氮、磷、钾的吸收积累量均最大。在该试验设计范围内，随着灌水量的增加，玉米籽粒、茎秆中氮积累量增加，提高了玉米植株的氮积累量。玉米籽粒的氮积累量量最高，大小顺序为籽粒>叶>茎秆>根。灌水量对氮素的积累作用低于施用有机肥和耕作深度，这与王俊忠等[23]研究结果一致。在低有机肥含量和低灌水量水平下，玉米植株的磷素的积累量较低。籽粒对磷素的积累量占植株总含磷量最大，占植株含磷量的63.58%～79.67%，这与王晋等[24]研究结果一致，可能是由于磷在植株体内多分布在新芽和根尖等生理代谢活跃的部位，应随生长进程的进行而发生有效的转移。在玉米植株中，钾素在茎秆中的含量是最高的，其次是籽粒；各器官钾素的积累量大小顺序为茎秆>籽粒>叶>根，说明钾不像氮磷最终转移到籽粒中而停止转移，并最终转移到了茎秆中，这与曹国军等[25]的研究结果一致。
研究不同耕作深度条件下调控水肥找到合适的水肥配比对玉米的生物产量有显著影响，随着耕作深度增加、有机肥施用量增加、适当提高相对含水量，对玉米生长状况具有促进作用。试验结果表明，耕作深度30 cm的处理最有利于提高玉米产量，在耕作深度30 cm、有机肥7 500 kg/hm2、相对含水量70%时玉米产量达到最大值，耕作深度30 cm处理的产量最高值比耕作深度20 cm处理提高了2.91%，说明在相同的水肥水平调控下，深翻能改变土壤结构，促进作物对水分养分的吸收，改善了玉米根系的构型，促进玉米根系下扎，增强了根系吸收水分、养分的能力，提高了玉米的生物产量，提高籽粒干物质积累速率，水肥共同作用，促进玉米的生长，增加产量。在本试验条件下，耕作深度30 cm要优于耕作深度20 cm，高有机肥施用中水(M2W2)是高产节水的最佳组合，高肥高水(M2W3)是超高产的最佳组合，低肥中水(M1W2)是低投入高水分利用率的最佳组合。
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